อนาคตใหม่แห่งวัสดุพิมพ์สามมิติ (3D Printing)

จี้สร้อยคอแบบมีโพรง (เครดิตภาพถ่ายจาก Nervous System)

กระบวนการผลิตแบบ  Additive Manufacturing (AM) หรือการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยการเติมเนื้อวัสดุเข้าไป เป็นอุตสาหกรรมที่น่าค้นหาสำหรับผู้ที่ชื่นชอบในเรื่องวัสดุ  มีวัสดุหลายชนิดที่ไม่น่าเชื่อว่าจะนำมาใช้กับการผลิตประเภทนี้ได้ ก็ถูกนำมาทดลองและใช้จริงแล้ว ซึ่งวัสดุเกือบทุกประเภท ไม่ว่าจะเป็นกระดาษ พลาสติก โลหะ คอมโพสิต เซรามิก แก้ว หรือหินธรรมชาติ ได้ถูกนำมาค้นคว้าเพิ่มเติม แต่อย่างไรก็ตาม วิธีการใช้วัสดุเหล่านี้ก็มีความแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด จึงต้องพัฒนาเครื่องพิมพ์พิเศษสำหรับวัสดุแต่ละประเภท ตามแต่กระบวนการผลิตที่มีข้อจำกัดที่ต่างกันออกไป 

วิวัฒนาการของการพัฒนาวัสดุสำหรับ AM ในบางมุมก็มีความคล้ายคลึงกับวิธีที่เราใช้อุณหภูมิในการผลิตวัสดุ ซึ่งต่างจากวิวัฒนาการการพัฒนาวัสดุในอารยธรรมมนุษย์ที่ขึ้นอยู่กับกระบวนการสังเคราะห์วัสดุมากกว่าอุณหภูมิที่ใช้ผลิตวัสดุ (แก้วที่มีจุดหลอมเหลวมากกว่า 1,000 องศาเซลเซียส เกิดมาก่อนพลาสติกหลายร้อยปี) วัสดุที่ใช้อุณหภูมิต่ำ เช่น แป้ง ไนลอน ABS และ PLA จึงได้ถูกวิจัยอย่างแพร่หลายมากที่สุดในอุตสาหกรรมการผลิต AM

พลาสติกเป็นหมวดวัสดุที่แบ่งเป็นประเภทย่อยได้มากที่สุด ด้วยจุดหลอมเหลวต่ำ มีความลื่นไหลสูง มีคุณสมบัติและสีต่างๆ มากมาย จึงเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดการขยายการผลิตและถูกนำไปใช้ในวงกว้าง 

ชนิดของเรซินที่มีอยู่ในตอนนี้มีจำนวนมากอย่างไม่น่าเชื่อ นอกจากเรซินธรรมดา เช่น PLA, ABS โฟโตโพลีเมอร์ และไนลอนแล้ว ยังมีเรซินวิศวกรรมที่ใช้งานได้ดี มีความยืดหยุ่น และทนทานต่อความร้อนด้วย อาทิ เส้นใยแก้ว ไนลอนเสริมด้วยเม็ดแก้ว เรซินอีพอกซี่เสริมใยคาร์บอน ABS และโพลีคาร์บอเนตชนิดต่างๆ แต่ถึงแม้ว่าจะมีโพลิเมอร์จำนวนมหาศาลในปัจจุบัน ก็ยังมีโพลิเมอร์อีกนับร้อยที่ยังไม่เข้าถึงกระบวนการผลิตแบบ AM ซึ่งรวมไปถึงพลาสติกทั่วๆ ไปและเรซินวิศวกรรมหลายชนิดที่ยังไม่มีการศึกษาวิจัย

ข้อสังเกตที่สำคัญก็คือ เรซินในปัจจุบันที่ใช้กับ AM ส่วนใหญ่ผลิตโดยผู้ผลิตเครื่องจักรเอง ทำให้ไม่มีการใช้เรซินชนิดอื่นที่ไม่เคยมีการลองใช้มาก่อน ส่งผลให้ไม่เกิดนวัตกรรมในวัสดุ AM มากนัก ในอนาคต อาจมีผู้ผลิตอิสระที่สามารถผลิตวัสดุที่เหมาะสมกับเครื่องจักรที่ใช้ในการผลิตแบบ AM  ซึ่งก่อให้เกิดการใช้วัสดุที่หลากหลายมากขึ้น แต่ในตอนนี้ตัวเลือกที่มีอยู่ถูกจำกัดโดยผู้ผลิตรายใหญ่เท่านั้น

ถึงแม้ว่าวัสดุที่ใช้อุณหภูมิสูง เช่น โลหะ เซรามิก และแก้ว สามารถพิมพ์ด้วยวิธีการแบบ AM แต่กระบวนการที่ใช้อาจไม่เหมาะกับการผลิตชิ้นส่วนทางวิศวกรรมนัก

กระบวนการพิมพ์ AM ส่วนใหญ่ไม่สามารถให้อุณหภูมิสูงในระดับที่ใช้ในการหลอมเหลววัสดุได้ จึงต้องอาศัยวัสดุประสาน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วหมายถึงพลาสติกที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ

สำหรับวัสดุประเภทโลหะ เราต้องหลอมผงเหล็กเข้าไปเพิ่มและเติมลงไปในรูเพื่อเสริมความหนาแน่น เทคนิคการผลิตแบบ AM ที่เรียกว่า Direct Metal Laser Sintering (DMLS) โดยใช้เลเซอร์เผาผนึกผงวัสดุที่ส่วนใหญ่เป็นโลหะ เพื่อประสานเนื้อวัสดุให้เข้ากันจนขึ้นรูปในระหว่างการพิมพ์สามมิติ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ไม่จำเป็นต้องผ่านดำเนินกระบวนการใดๆ ต่อ ก่อนที่จะนำได้ไปใช้  อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันนี้ยังไม่มีวัสดุใดในท้องตลาดที่เทียบเคียงได้กับแก้วหรือเซรามิก เพราะจุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างสูงกว่าโลหะวิศวกรรมทั่วไป  ซึ่งปัจจุบันกำลังมีผู้ทำวิจัยเพื่อตอบโจทย์นี้

 

ไส้กรองน้ำมันเครื่อง (เครดิตภาพถ่ายจาก FDM )

DMLS เป็นวิธีการผลิตชิ้นส่วนโลหะที่ดีที่สุดในขณะนี้ เพราะสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพในการใช้งานสูง เช่น วัสดุวิศวกรรม วัสดุก่อสร้าง และปืน ที่สามารถทนทานต่อความเค้นและความเครียด (Stress and Strain) ได้เท่าเทียมกับวัสดุที่ผลิตโดยกระบวนการแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ยังมีความก้าวหน้าใหม่ๆ ที่น่าสนใจเกี่ยวกับการผลิตโลหะด้วยวิธี AM โดยใช้หุ่นยนต์อีกด้วย

การเติมพลาสติกให้เป็นวัสดุประสานเพื่อขึ้นรูปวัสดุที่พิมพ์ยาก ได้ส่งผลให้เกิดการพัฒนาเส้นใยคอมโพสิต เพื่อให้มั่นใจว่าเส้นใยคงความแข็งตึง (Stiff) และรูปร่างไว้โดยไม่เปลี่ยนแปลงตลอดช่วงการเติมวัสดุ (Deposition) ข้อดีที่ไม่มีใครคาดคิดของกระบวนการนี้คือศักยภาพในการกำหนดทิศทางของเส้นใยเพื่อสร้างคุณสมบัติการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง เราคงจะได้เห็นวิวัฒนาการใหม่ๆ พร้อมทั้งรายละเอียดอีกมากจากวัสดุคอมโพสิตสำหรับอุตสาหกรรม AM

เรากำลังอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านจากการเลือกใช้วัสดุ ด้วยเหตุผลเพียงแค่ว่าสามารถนำมาพิมพ์แบบสามมิติได้ มาเป็นการเลือกใช้วัสดุด้วยเหตุผลด้านคุณสมบัติที่สอดคล้องกับจุดประสงค์ในการใช้  ดังนั้นเราจึงคงได้เห็นการจัดประเภทวัสดุต่างๆ อย่างชัดเจน นอกเหนือจากนี้ สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดในการพัฒนากระบวนการ AM น่าจะเป็นการผสมผสานวัสดุเข้าด้วยกันในระดับที่เล็กมาก ซึ่งทำได้ยากในอดีต

 

โคมไฟลายเมล็ดพืช (เครดิตภาพถ่ายจาก Nervous System)

หากสนใจข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการพิมพ์แบบสามมิติ และกระบวนการผลิตแบบ Additive Manufacturing สามารถติดต่อได้ที่ infothailand@materialconnexion.com